基于热流固耦合的瓦斯抽采数值模拟研究

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为解决深部矿井中煤层瓦斯突出问题,需要对煤层中的瓦斯进行抽采,深部煤层中瓦斯抽采不同于浅煤层瓦斯抽采,在深部矿井中地应力大、温度高,如沿用传统的抽采方式会不适应新的环境,从节约资源、合理布置钻孔和设计方案出发,需要从理论上研究深部高温矿井中瓦斯流动规律,建立包含多个影响因素的瓦斯流动方程。此方程求解需要用到数值模拟软件进行计算并用图片的形式表示出来,COMSOL Multiphysics软件是一款基于偏微分方程组的多物理场耦合软件,此软件利用有限元分析相关方法,可以很好的解决瓦斯在煤层中流动的求值问题。本文阐述了煤层中孔隙的分布形态及影响孔隙分布的各个要素,从孔隙率的定义出发结合考虑各要素建立了孔隙率数学表达式和在Carman-Kozeny方程基础上建立了煤渗透率的数学表达式。研究了游离瓦斯和吸附瓦斯在煤体中的赋存形态,阐述了影响吸附瓦斯含量的各因素,利用Langmuir方程建立了游离瓦斯和吸附瓦斯间的相互关系方程,结合达西定律将其扩展为描述瓦斯流动的渗流方程。考虑到地应力对瓦斯的作用,从Terzaghi有效应力入手,建立了描述含瓦斯煤的变形方程。通过从能量的观点出发,建立了瓦斯流动的温度场方程。综合上述方程,建立了描述瓦斯在煤层中流动的热流固耦合方程。通过COMSOL Multiphysics软件求解瓦斯流动的热流固耦合方程,模拟了单一和多个钻孔条件下穿层钻孔和顺层钻孔中瓦斯在煤体中的流动情况,同时比较了不同温度、不同载荷下、不同钻孔间距和不同初始渗透率条件下瓦斯压力、瓦斯含量、渗透率和孔隙率的变化情况。从模拟的结果可知,在瓦斯抽采的初期,瓦斯钻孔周围瓦斯压力迅速,抽采范围逐渐扩大,瓦斯压力和瓦斯含量随时间逐渐降低,由于游离瓦斯压力急剧下降,钻孔周围孔隙率和渗透率因此而降低,钻孔周围煤体温度同样降低,一方面因为热传导的作用,另一方面因为煤体瓦斯的解吸。多个钻孔抽采瓦斯对瓦斯抽采有强化作用,可有效的降低煤中瓦斯含量,缩短抽采时间。通过比较不同载荷下瓦斯流动规律,较高的地应力不利于煤体中瓦斯流动,因此对地应力大的煤层需要采取卸压措施以使煤体完成较短时间的抽采工作。对于煤层,提高其温度可以使其中大量的吸附瓦斯解吸,成为游离瓦斯,同时由于解吸作用煤体收缩,增大了煤体中孔隙率和渗透率,利于瓦斯抽采,因此可以考虑对于难以抽采的煤层适当的提高其温度,以利于瓦斯抽采。
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